研究生精品课程建设教案第四章传质及曝气（一）教学设计1.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①气-液传质模型、数学模型来描述传质过程（Whitman、Higbie、Danckwerts理论）②曝气设备的传质分析③吹脱塔原理与设计1.2本章节重点本章节重点：双膜理论、曝气设备充氧能力、气泡传质、机械曝气、鼓风曝气、水膜的传质、氨吹脱本章节难点：双模理论理解、气泡与水膜的传质过程与应用1.3本章节教学内容本章教学内容如下4.传质及曝气4-1亨利定律4-2气一液传质模型4-3相似现象与相似准数4-4曝气设备的充氧能力4-5气泡的传质性能4-6鼓风曝气4-7机械曝气4-8水膜的传质性能4-9吹脱塔1.4本章节教学方法1.情景导入以鱼塘增氧机、曝气管入手、吹脱塔的图片入手，引入传质、曝气、吹脱塔概念。2.双案例关联传质在基础研究方面的应用（案例七）传质在工程设计方面的应用（案例八）1.4本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课1
1 研究生精品课程建设教案 第四章 传质及曝气 （一）教学设计 1.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①气-液传质模型、数学模型来描述传质过程（Whitman、Higbie、Danckwerts 理论） ②曝气设备的传质分析 ③吹脱塔原理与设计 1.2本章节重点 本章节重点：双膜理论、曝气设备充氧能力、气泡传质、机械曝气、鼓风 曝气、水膜的传质、氨吹脱 本章节难点：双模理论理解、气泡与水膜的传质过程与应用 1.3 本章节教学内容 本章教学内容如下 4.传质及曝气 4-1 亨利定律 4-2 气一液传质模型 4-3 相似现象与相似准数 4-4 曝气设备的充氧能力 4-5 气泡的传质性能 4-6 鼓风曝气 4-7 机械曝气 4-8 水膜的传质性能 4-9 吹脱塔 1.4 本章节教学方法 1. 情景导入 以鱼塘增氧机、曝气管入手、吹脱塔的图片入手，引入传质、曝气、吹脱塔 概念。 2.双案例关联 传质在基础研究方面的应用（案例七） 传质在工程设计方面的应用（案例八） 1.4 本章节教学互动与考核 在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行 教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课
程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：①传质的类型、②鱼塘增氧原理、③曝气充氧原理、④高氨氮废水处理、③抽风机尾气处理、③吹脱设计相关问题、填料与传质等。结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（二）教学内容1.传质及曝气原理传质概念、气液传质模型、相似准数、机械曝气、鼓风曝气与吹脱2.传质及曝气与应用（1）机械曝气与鼓风曝气的原理与设计（2）氨氮吹脱原理与吹脱塔设计；s4.1亨利定律水溶液的亨利定律对水溶液亨利定律为：CA=HAPA式中：HA为亨利常数的另一形式，单位为mol/L-Pa，享利常数KA与温度间的关系：igkA=+KRTS4.2气一液传质模型用数学模型来描述传质过程，常用有：（1）1926年由Whitman提出的双膜理论，（2）1935年由Higbie提出的浅渗理论，（3）1951年由Danckwerts提出的表面更换理论。1.双膜理论双膜模型三个假定：A.在气一水交界面的两边各有一层不动的膜：B.氧的传递过程是稳定的，即通过气膜通量与通过水膜的通量是相等的；C.在交界面上，气与水立即达到平衡状态。2
2 程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何 应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这 类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握 情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分， 主要问题有：①传质的类型、②鱼塘增氧原理、③曝气充氧原理、④高氨氮废水 处理、⑤抽风机尾气处理、⑥吹脱设计相关问题、⑦填料与传质等。结合最后的 理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。 （二）教学内容 1. 传质及曝气原理 传质概念、气液传质模型、相似准数、机械曝气、鼓风曝气与吹脱 2. 传质及曝气与应用 （1）机械曝气与鼓风曝气的原理与设计 （2）氨氮吹脱原理与吹脱塔设计； §4.1 亨利定律 水溶液的亨利定律 对水溶液亨利定律为：cA=HApA 式中：HA 为亨利常数的另一形式，单位为 mol/L·Pa， 亨利常数 KA 与温度间的关系：lgkA= RT H − +K §4.2 气—液传质模型 用数学模型来描述传质过程，常用有：（1）1926 年由 Whitman 提出的双膜 理论，（2）1935 年由 Higbie 提出的浅渗理论，（3）1951 年由 Danckwerts 提出 的表面更换理论。 1.双膜理论 双膜模型三个假定： A.在气—水交界面的两边各有一层不动的膜； B.氧的传递过程是稳定的，即通过气膜通量与通过水膜的通量是相等的； C.在交界面上，气与水立即达到平衡状态
交界面交界面、cj浓度c一气主体一水主体—16. :图4-1传质的膜示意图4-2双膜理论KL为总传质系数1_Hk,+kg_H,1(4-1)K,-k,kikgk,式中，1/KL代表总阻力，H/kg及1/k1分别代表气膜及水膜的阻力，即总阻力为两者之和，这是双膜理论的基本点。KeKL=(4-2)H水膜的阻力控制了整个传递过程，氧气在水中的传递即属于这种情形。2.浅渗理论基本点是在气液相重复短暂的接触中不能达到稳态。3.表面更换理论面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和作为传质量。通量按这个概念来计算。s4.3相似现象与相似准数1.相似现象vl雷诺数Re=(4-3)D3
3 KL 为总传质系数 1 1 k1 k k H k K g g L + = = 1 1 k k H g + （4-1） 式中，l/KL 代表总阻力，H/kg及 1/k1 分别代表气膜及水膜的阻力，即总阻力 为两者之和，这是双膜理论的基本点。 KL= H Kg (4-2) 水膜的阻力控制了整个传递过程，氧气在水中的传递即属于这种情形。 2.浅渗理论 基本点是在气液相重复短暂的接触中不能达到稳态。 3.表面更换理论 面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和作为传质量。通量按这个概 念来计算。 §4.3 相似现象与相似准数 1.相似现象 雷诺数 vl Re = （4-3）
12弗劳德数Fr=(4-4)gl相似理论三条定理：(a)相似的现象，其相似准数的数值相等。(b)在相似现象的相似准数Kl，K2，K3，，Kn间可以得出一函数关系：(4-5)f(K1.K2.K3...,Kn)=0(c)两现象的单值量（即构成现象的决定量，如流体运动中的长度、速度、g及U等）一样，由这些单值量组成的准数数值相等时，则两现象相似。一般常把相似准数表达为下列函数形式：K,=cK'Kb...Ki(4-6)式中，c、a、b...等均为常数，常指只略受系统的几何形状的影响，c受几何形状的影响则很大，它实际上是一个形状系数。2.颗粒物或气泡在流体中的沉降或浮升速度d(p,p)g(4-7)颗粒在流体中所受的重力F=6yp.d,?(4-8)颗粒下沉时水的阻力F,=CpP,·24y2.d,dyp-1"d,pdtd,(P-)g-Cp(4-9)?4664Pp-pi一般终速度指加速度为0时的vp可得v(4-10)gd.3CDPiVpdppv,dp雷诺数为Re=(4-11)UCD值可划分为层流、过渡及紊流三个区。24层流区的Cp与雷诺数之间呈直线关系变化：Cp=(4-12)Re1 P,-pgd,?(4-13)Stokes公式：V,=18u（适用于Re<0.2）18.5过渡区（0.2<Re<500），C(4-14)Re0.6(Pp-pi)gd,1.61 1.4(4-15)相应的沉降速度为vPa4u0.613.94
4 弗劳德数 gl v Fr 2 = （4-4） 相似理论三条定理： (a)相似的现象，其相似准数的数值相等。 (b)在相似现象的相似准数 K1，K2，K3，.，Kn间可以得出一函数关系： f(K1,K2,K3.,Kn)=0 （4-5） (c)两现象的单值量（即构成现象的决定量，如流体运动中的长度、速度、g 及 等）一样，由这些单值量组成的准数数值相等时，则两现象相似。 一般常把相似准数表达为下列函数形式： a b i K1 cK2 K3 Kn = • • • （4-6） 式中，c、a、b.等均为常数，常指只略受系统的几何形状的影响，c 受几何 形状的影响则很大，它实际上是一个形状系数。 2.颗粒物或气泡在流体中的沉降或浮升速度 颗粒在流体中所受的重力 d ( - )g 6 1 p 1 3 F1 = p （4-7） 颗粒下沉时水的阻力 2 4 v 2 2 p 2 1 p D d F C = • • （4-8） 2 4 ( ) 6 1 6 2 2 1 1 3 3 p p p p D p p p v d d g C dt dv d = − − • （4-9） 一般终速度指加速度为 0 时的 vp 可得 p p D p gd C v 1 2 1 3 4 − = （4-10） 雷诺数为 p p p d p v d v Re = = （4-11） CD 值可划分为层流、过渡及紊流三个区。 层流区的 CD 与雷诺数之间呈直线关系变化： Re 24 CD = （4-12） Stokes 公式： 1 2 18 1 p p v p gd − = （4-13） （适用于 Re<0.2） 过渡区（0.2<Re<500）, 0.6 Re 18.5 CD = (4-14) 相应的沉降速度为 0.4 0.6 1 1.6 1.4 1 ( ) 13.9 1 p p p gd v − = （4-15）
在素流区（Re>500）CD=0.44为常数(4-16)(p,-p)gd,(4-17)相应的沉降速度为v，=1.74Pi3.Crashof 数βppg（cAo-）/μu?项称为传质的Crashof数，反映由于浓度差产生自然对流的相似准数．常用Cr代表。（cA-c）代表一个浓度差△cA，实际也反映了水的密度差△p，传质的Crashof数可写成1'pgApGr=(4-18)u?4.扩散过程的相似包括两个相似准数，一个是控制主体扩散过程的Schmidt数Sc,另一个是控制扩散边界相似的Sherwood数Sh。VIvl/D称为传质的Peclet数，用Pe表示即Pe=(4-19)D用Pe除以雷诺数vl/u得无量纲u/D称为Schmidt数，用Sc表示为(4-20)Pe=Re·ScSc=-(4-21)PD"DdcK,dz-(4-22)DC'-C,式的右边项代表水膜内dz厚度的浓度差dc与整个膜的浓度差c*-cb之比。从式左边项可得 Sherwood 数 Sh为Sh=K!(4-23)D由上式可知大的Sh数反应界面处的浓度差小，即边界的阻力小。5.相似准数的物理意义把一个相似准数理解为不同的力或效应间的比值，就会对这个相似准数获得明确的物理概念。如把Crashof数解释为浮力与粘滞力之比，浮力用密度差（△p）×体积（长度）3×重力加速度（g）表示得5
5 在紊流区（Re>500）CD=0.44 为常数 (4-16) 相应的沉降速度为 1 1 ( ) 1.74 p p p gd v − = (4-17) 3.Crashof 数 l 3 pg（cAOA c ）/ 2 项称为传质的 Crashof 数，反映由于浓度差产生自然对 流的相似准数．常用 Cr 代表。（cA- A c ）代表一个浓度差△cA，实际也反映了水 的密度差△ ，传质的 Crashof 数可写成 2 3 = l g Gr （4-18） 4.扩散过程的相似 包括两个相似准数，一个是控制主体扩散过程的 Schmidt 数 Sc,另一个是控制 扩散边界相似的 Sherwood 数 Sh。 vl/D 称为传质的 Peclet 数，用 Pe 表示即 D vl Pe = （4-19） 用 Pe 除以雷诺数 vl/ 得无量纲 /D,称为 Schmidt 数，用 Sc 表示为 Pe = Re• Sc （4-20） D D Sc = = （4-21） b L c c dc D K − = − dz （4-22） 式的右边项代表水膜内 dz 厚度的浓度差 dc 与整个膜的浓度差 c * -cb 之比。 从式左边项可得 Sherwood 数 Sh 为 D K l Sh L = （4-23） 由上式可知大的 Sh 数反应界面处的浓度差小，即边界的阻力小。 5.相似准数的物理意义 把一个相似准数理解为不同的力或效应间的比值，就会对这个相似准数获得 明确的物理概念。 如把 Crashof 数解释为浮力与粘滞力之比，浮力用密度差（ ）×体积（长 度）3×重力加速度（g）表示得